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Procédé d'enrichissement en carbone d'une éponge de fer.
La présente invention concerne un procédé d'enrichissement en carbone d'une éponge de fer.
Au sens de la présente invention, une éponge de fer est une matière ferreuse obtenue par une opération de réduction, dite directe, à partir d'oxydes de fer. Ces oxydes de fer peuvent être constitués aussi bien par des minerais traditionnels que par des oxydes superficiels produits à différents stades des processus de fabrication sidérurgiques.
L'éponge de fer suscite actuellement un intérêt croissant, en particulier en vue de son utilisation dans les fours électriques d'aciérie. Jusqu'à présent, la charge métallique de ces engins est principalement constituée de ferrailles, avec un complément d'autres matières ferrifères telles que de la fonte solide ou liquide. On constate cependant que la qualité de ces ferrailles a tendance à se dégrader progressivement, notamment en raison de leur teneur croissante en éléments d'alliage divers, qui peuvent être indésirables pour les aciers à fabriquer. Par ailleurs, le prix de ces ferrailles varie dans des proportions parfois considérables, en fonction non seulement de leur qualité, mais aussi de leur disponibilité, ce qui peut compromettre l'approvisionnement des aciéries électriques.
On connaît actuellement dans la technique de nombreux procédés de fabrication d'éponge de fer. Par les demandes BE-A-09400652, BE-A-09400653 et BE-A-09500430, le présent demandeur a récemment proposé des procédés de fabrication d'une éponge de fer à faible teneur en soufre, particulièrement intéressante à utiliser dans les fours électriques d'aciérie, notamment dans les fours à arc.
Quelle que soit la composition de la charge métallique d'un four à arc d'aciérie, la fusion de cette charge requiert la consommation d'une grande quantité d'énergie électrique et entraîne donc des coûts de fonctionnement élevés.
Pour réduire cette consommation d'énergie électrique, il est bien connu d'utiliser des brûleurs d'appoint utilisant de l'air, éventuellement suroxygéné, avec un combustible liquide ou gazeux.
Une telle solution ne s'avère cependant pas nécessairement plus économique que la fusion purement électrique, si l'on considère la consommation d'énergie globale.
Une autre solution connue consiste à injecter un combustible solide pulvérulent, tel que du charbon fin ou du poussier de coke, et de l'oxygène dans le bain fondu ; ces Injections
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provoquent un dégagement de CO qui brûle au-dessus du laitier flottant sur le bain de métal en fusion. La chaleur produite par cette postcombustion de CO permet d'une part de diminuer la consommation d'énergie électrique et l'usure des électrodes et d'autre part d'augmenter la productivité du four en réduisant la durée du cycle de coulée. De plus, le dégagement gazeux assure une bonne agitation du bain d'acier et contribue ainsi à réduire les teneurs en azote et en hydrogène de l'acier, ce qui améliore sa qualité.
Enfin, il se forme sur le bain d'acier un laitier moussant qui protège les électrodes et les parois réfractaires du four contre le rayonnement de l'arc électrique, ce qui prolonge la durée de vie du four. Ce procédé connu présente cependant le sérieux inconvénient d'incorporer à l'acier des quantités non négligeables de soufre provenant du charbon ou du coke injecté, ce qui a pour effet de dégrader, parfois dans des proportions importantes, la qualité de l'acier.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé d'enrichissement en carbone d'une éponge de fer afin que celle-ci renferme une source d'énergie suffisante pour faire baisser, dans des proportions appréciables, la consommation d'énergie requise pour sa fusion dans un four électrique. Cet apport de carbone est réalisé à l'aide de moyens simples, à partir d'hydrocarbures gazeux, éventuellement récupérés dans divers processus industriels. Il présente l'avantage important de ne pas introduire de soufre dans l'éponge de fer, et de ce fait il une influence favorablement la qualité de l'acier produit à partir de cette éponge de fer.
Conformément à la présente invention, un procédé d'enrichissement en carbone d'une éponge de fer est caractérisé en ce que l'on expose une éponge de fer chaude à un gaz contenant un hydrocarbure gazeux, en ce que l'on réalise le craquage thermique dudit hydrocarbure gazeux au contact de ladite éponge de fer chaude, en ce que l'on dépose au moins une partie des particules de carbone résultant dudit craquage thermique à la surface de l'éponge de fer chaude, et en ce que l'on refroidit ladite éponge de fer jusqu'à une température comprise entre 6000C et 800 C, et de préférence voisine de 700 C.
L'exposition de l'éponge de fer chaude audit hydrocarbure gazeux est de préférence réalisée en continu, notamment dans un four à cuve parcouru à contre-courant par le gaz contenant ledit hydrocarbure gazeux.
L'hydrocarbure gazeux contenu dans le gaz précité est un gaz capable de produire des particules de carbone, telles que du graphite ou des suies, par craquage thermique aux températures auxquelles se trouve initialement l'éponge de fer chaude ; en général, ces températures sont comprises entre 900 C et 1300 C environ.
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On pourrait cependant prévoir un chauffage d'appoint de l'éponge de fer pour favoriser le craquage thermique de cet hydrocarbure gazeux.
Suivant une mise en oeuvre particulière, il a été trouvé intéressant d'utiliser un hydrocarbure gazeux tel que le méthane (CH4), qui est généralement disponible dans les usines sidérurgiques, notamment sous la forme de gaz naturel. Ledit hydrocarbure gazeux peut être présent en toute proportion dans ledit gaz et même être injecté substantiellement à l'état pur.
Le craquage thermique dudit hydrocarbure gazeux est une opération fortement endothermique.
En plus du dépôt de particules de carbone, elle provoque dès lors un refroidissement sensible de l'éponge de fer. Ce refroidissement peut être suffisant pour abaisser la température de l'éponge de fer à la valeur visée valeur comprise entre 6000C et 800 C, et de préférence voisine de 700 C. S'il s'avérait toutefois que le refroidissement dû au craquage ne permette pas d'atteindre cette température, il pourrait être prolongé en poursuivant t'injection dudit hydrocarbure gazeux jusqu'à l'obtention de la température désirée.
En règle générale, le refroidissement n'est pas poursuivi jusqu'à la température ambiante, car il peut être avantageux soit de charger l'éponge de fer chaude directement au four électrique soit de l'utiliser pour fabriquer des briquettes dans une presse à chaud.
En raison de la porosité de l'éponge de fer, le gaz de traitement peut pénétrer au sein de la masse métallique et le craquage thermique entraîne le dépôt de particules de carbone réparties dans cette masse. Au sens de la présente demande, le dépôt de carbone à la surface de l'éponge de fer englobe le dépôt sur les surfaces intérieures des pores, au sein de la masse d'éponge de fer.
Le carbone ainsi déposé présente l'avantage d'être propre, c'est-à-dire de ne pas être contaminé par des substances indésirables telles que le soufre, comme cela est fréquemment le cas avec des particules de charbon. Une partie de l'enrichissement en carbone peut consister en la formation d'une certaine quantité de cémentite Fe3C, qui résulte de la réaction directe du fer avec le carbone à la température du craquage thermique.
Le procédé de l'invention est particulièrement intéressant lorsqu'il est appliqué à une éponge de fer chaude, immédiatement à la sortie de son processus de fabrication. Il peut cependant s'appliquer également à une éponge de fer déjà refroidie qu'il faut alors réchauffer sous atmosphère neutre, jusqu'à la température requise, éventuellement après son transport vers une autre installation de traitement.
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Enfin, le gaz chaud résiduel, riche en hydrogène, quittant l'étape de craquage thermique, peut être directement recyclé, de préférence dans le processus de fabrication de l'éponge de fer elle-même, notamment dans l'étape de réduction de ce processus où il sert non seulement d'agent réducteur mais aussi de générateur de chaleur par combustion.
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Carbon enrichment process for an iron sponge.
The present invention relates to a method for enriching carbon with an iron sponge.
Within the meaning of the present invention, an iron sponge is a ferrous material obtained by a reduction operation, called direct, from iron oxides. These iron oxides can be made up of both traditional ores and surface oxides produced at different stages of the steel manufacturing process.
The iron sponge is currently attracting increasing interest, in particular with a view to its use in electric steel furnaces. Up to now, the metal charge of these devices has mainly consisted of scrap, with a complement of other ferrous materials such as solid or liquid cast iron. However, it is found that the quality of these scrap tends to deteriorate gradually, in particular because of their increasing content of various alloying elements, which may be undesirable for the steels to be manufactured. In addition, the price of these scrap varies in sometimes considerable proportions, depending not only on their quality, but also on their availability, which can compromise the supply of electric steelworks.
Numerous processes for manufacturing iron sponge are currently known in the art. By applications BE-A-09400652, BE-A-09400653 and BE-A-09500430, the present applicant has recently proposed methods for manufacturing a low sulfur iron sponge, particularly advantageous to use in ovens steelworks, especially in arc furnaces.
Whatever the composition of the metal charge of a steel arc furnace, melting this charge requires the consumption of a large amount of electrical energy and therefore results in high operating costs.
To reduce this consumption of electrical energy, it is well known to use auxiliary burners using air, possibly oxygenated, with a liquid or gaseous fuel.
However, such a solution does not necessarily turn out to be more economical than purely electric fusion, if we consider the overall energy consumption.
Another known solution consists in injecting a pulverulent solid fuel, such as fine coal or coke dust, and oxygen into the molten bath; these injections
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cause a release of CO which burns above the floating slag on the molten metal bath. The heat produced by this CO afterburning makes it possible on the one hand to reduce the consumption of electrical energy and the wear of the electrodes and on the other hand to increase the productivity of the furnace by reducing the duration of the casting cycle. In addition, the release of gas ensures good agitation of the steel bath and thus contributes to reducing the nitrogen and hydrogen contents of the steel, which improves its quality.
Finally, a foaming slag forms on the steel bath which protects the electrodes and the refractory walls of the furnace against the radiation of the electric arc, which prolongs the life of the furnace. However, this known process has the serious drawback of incorporating non-negligible quantities of sulfur from the coal or injected coke into the steel, which has the effect of degrading, sometimes in significant proportions, the quality of the steel.
The object of the present invention is to propose a method for enriching carbon with an iron sponge so that it contains a sufficient source of energy to lower, in appreciable proportions, the energy consumption required for its fusion in an electric oven. This carbon contribution is made using simple means, from gaseous hydrocarbons, possibly recovered in various industrial processes. It has the important advantage of not introducing sulfur into the iron sponge, and therefore it has a favorable influence on the quality of the steel produced from this iron sponge.
According to the present invention, a method of carbon enrichment of an iron sponge is characterized in that a hot iron sponge is exposed to a gas containing a gaseous hydrocarbon, in that the cracking is carried out thermal of said gaseous hydrocarbon in contact with said hot iron sponge, in that at least part of the carbon particles resulting from said thermal cracking are deposited on the surface of the hot iron sponge, and in that cools said iron sponge to a temperature between 6000C and 800 C, and preferably around 700 C.
The exposure of the hot iron sponge to said gaseous hydrocarbon is preferably carried out continuously, in particular in a tank oven traversed against the current by the gas containing said gaseous hydrocarbon.
The gaseous hydrocarbon contained in the abovementioned gas is a gas capable of producing carbon particles, such as graphite or soot, by thermal cracking at the temperatures at which the hot iron sponge is initially found; in general, these temperatures are between approximately 900 ° C. and 1300 ° C.
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However, provision could be made for additional heating of the iron sponge to promote thermal cracking of this gaseous hydrocarbon.
According to a particular implementation, it has been found advantageous to use a gaseous hydrocarbon such as methane (CH4), which is generally available in steel factories, in particular in the form of natural gas. Said gaseous hydrocarbon can be present in any proportion in said gas and even be injected substantially in the pure state.
The thermal cracking of said gaseous hydrocarbon is a highly endothermic operation.
In addition to the deposition of carbon particles, it therefore causes significant cooling of the iron sponge. This cooling may be sufficient to lower the temperature of the iron sponge to the target value value between 6000C and 800 C, and preferably close to 700 C. If it turns out however that the cooling due to cracking does not allow not reach this temperature, it could be extended by continuing to inject said gaseous hydrocarbon until the desired temperature is obtained.
As a rule, cooling is not continued to room temperature, as it may be advantageous either to load the hot iron sponge directly into the electric oven or to use it to make briquettes in a hot press .
Due to the porosity of the iron sponge, the treatment gas can penetrate the metallic mass and thermal cracking leads to the deposition of carbon particles distributed in this mass. Within the meaning of the present application, the deposition of carbon on the surface of the iron sponge includes the deposition on the interior surfaces of the pores, within the mass of iron sponge.
The carbon thus deposited has the advantage of being clean, that is to say of not being contaminated by undesirable substances such as sulfur, as is frequently the case with particles of carbon. Part of the carbon enrichment may consist of the formation of a certain amount of Fe3C cementite, which results from the direct reaction of iron with carbon at the temperature of thermal cracking.
The process of the invention is particularly advantageous when it is applied to a hot iron sponge, immediately at the end of its manufacturing process. It can however also be applied to an already cooled iron sponge which must then be heated in a neutral atmosphere, to the required temperature, possibly after its transport to another treatment installation.
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Finally, the residual hot gas, rich in hydrogen, leaving the thermal cracking stage, can be directly recycled, preferably in the process of manufacturing the iron sponge itself, in particular in the stage of reduction of this a process in which it serves not only as a reducing agent but also as a generator of heat by combustion.